混合流水车间负荷平衡排产优化问题研究

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1、分类号：学校代码：10153UDC：密级：公开硕士学位论文混合流水车间负荷平衡排产优化问题研究作者姓名：董晓婷入学年份：2013年9月指导教师：韩忠华副教授学科专业：控制科学与工程申请学位：工学硕士所在单位：信息与控制工程学院论文提交日期：2015年11月论文答辩日期：2015年12月学位授予日期：2015年11月答辩委员会主席：厉伟答辩委员会组成：厉伟李界家马斌戴敬片锦香高恩阳林硕论文评阅人：硕士研究生学位论文摘要I摘要混合流水车间（Hybridflowshop,HFS）是并行机工序与经典Flow-shop的结合与延伸，广泛存在于车辆制造、

2、半导体生产以及大型装备制造等重要国民经济邻域。混合流水车间的典型特征为多任务、多工序、多并行机，在加工过程中，不同类型工件在同一工序加工工时不同，相同类型工件在同一工序不同并行工位加工工时亦不相同即并行工位之间存在作业能力差异。混合流水车间排产是集工位分配和工件排序为一体的问题，相较flowshop问题复杂很多，是典型的NP-hard问题。车间负荷平衡旨在在车间生产过程中，使每个可用工位被分配到的需要加工的工件数相对均衡，以此避免工位过载或空闲情况发生，从而提高生产效率；伴随着多品种、小批量的车间生产模式的普及，在混合流水车间生产过程中，工件

3、类型繁多，其排产过程负荷数据信息量较大，统计困难，从而难以控制工位上负荷的分配，再加上现今排产执行系统对负荷平衡问题尚未有一个完整的评价指标体系，所以研究混合流水车间负荷平衡排产优化问题（Hybridflowshop-loadbalancingschedulingproblem,HFS-LBSP)具有重要的理论意义和实际应用价值。本文针对混合流水车间负荷平衡排产优化问题，分析其车间生产动态规律结合离散系统建模理论，建立混合流水车间数学规划模型，然后从混合流水车间负荷平衡问题的优化方法、评价指标、可重入约束限制三个方面进行深入研究。在优化方法方

4、面，随着群体智能算法优越性的日益突出，应用领域的扩大，本文选择具有参数少，操作简单，优化效果较好的差分进化算法(Differentialevolutionalgorithm,DE)及其改进算法作为混合流水车间排产优化问题的全局优化算法。在优化目标方面，首先，选择能直接反映车间生产效率的经典makespan问题，以验证DE算法及其改进算法对混合流水车间排产优化问题的求解能力；其次，考虑到在混合流水车间负荷平衡优化问题中，既要均衡并行工位负载，同时也要保证车间生产效率；因此在评价指标设计时，将并行工位加工时间负荷平衡代价与总工位等待时间加权求和之

5、值作为负荷平衡评价指标。最后，考虑到在混合流水车间生产过程中，往往存在可重入工序，即某些加工任务可能会在某些工位多次加工，这将进一步增大在混合流水车间均衡并行工位负荷的难度，因此，本文也将带可重入工序约束的负荷平衡问题纳入研究内容。主要研究内容方面：首先，建立混合流水车间排产优化问题的数学规划模型。该模型涵盖混合流水车间中的工序、并行工位、流程等对象以及这些对象间的约束关系。其次，研究群体智能算法，包括经典GA算法、新型算法布谷鸟搜索算法（Cuckoosearchalgorithm，CS）、与DE算法，通过实际车间仿真数据对混合流水车间mak

6、espan问题进行优化验证DE算法的优越性；然后，对DE算法进行改进分析，提出双种群自适应差分进化算法（Doublepopulationself-adaptivedifferentialevolutionalgorithm,DPSADE）与动态自适应差分进化算法（Dynamicself-adaptivedifferentialevolutionalgorithm,DSADE），并以验证它们的优化性能。其次，针对混合流水车间负荷平衡排产优化问题，分析负荷平衡影II摘要硕士研究生学位论文响因素，构建混合流水车间负荷平衡排产优化问题的评价指标体系，

7、将工位加工时间负荷平衡代价和总工位等待时间加权求和后作为负荷平衡综合评价指标，采用DPSADE算法作为全局优化算法对其进行优化求解，并基于发动机车间的实例数据与GA、DE、SADE算法进行仿真比较，负荷平衡评价指标降低幅度在30%左右。其次，考虑到若混合流水车间排产过程中存在可重入工序的约束，其生产过程中工件、工位的实时状态统计难度加大，车间不确定因素增多，其工位的负荷平衡控制更加困难，因此，对可重入混合流水车间负荷平衡问题展开深入研究，设计了基于工件加工流程的编码方法并结合时间窗约束与最大剩余时间规则进行解码，采用DSADE算法进行全局优化

8、，并基于客车制造中涂装车间多遍彩条工序段的实例数据与已有GA、DE、SADE算法进行仿真比较，负荷平衡评价指标平均降低幅度超过20%。关键词：混合流水车间；差分进化